無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)課件：全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗GPS伽利略格洛納斯

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

1.概述（1）GPS(GlobalPositioningSystems)美國(guó)國(guó)防部開(kāi)發(fā)的第二代空間定位系統(tǒng)特點(diǎn)由21+3顆衛(wèi)星組成分布在6個(gè)軌道平面上軌道高度20200Km運(yùn)行周期11小時(shí)58分民用定位精度為10m左右導(dǎo)航精度10-20m坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS-84全球、全天候工作，定位精度高，功能多，應(yīng)用廣GPS現(xiàn)狀完成時(shí)間：1994年2010年5月13日，美國(guó)發(fā)射了首顆改進(jìn)型GPS二代導(dǎo)航衛(wèi)星GPS-2F，其后還將在本年度再發(fā)射兩顆。GPS-2F衛(wèi)星具有更強(qiáng)的抗干擾和抗打擊能力，壽命也延長(zhǎng)到15年。與此同時(shí)，為滿足未來(lái)30年系統(tǒng)技術(shù)擴(kuò)展和用戶需求而制定的第三代GPS計(jì)劃也有提前部署的可能。（2）格洛納斯（GLONASS）由30顆衛(wèi)星組成，24顆衛(wèi)星正常工作、3顆維修中、3顆備用、1顆測(cè)試中。軌道高度19100Km，運(yùn)行周期11小時(shí)15分定位精度可達(dá)1米，速度誤差僅為15厘米/秒前蘇聯(lián)地心坐標(biāo)系（PE-90）衛(wèi)星平均在軌壽命較短,沒(méi)有開(kāi)發(fā)民用市場(chǎng)格洛納斯現(xiàn)狀完成時(shí)間：1996年目前在軌運(yùn)行的衛(wèi)星已達(dá)30顆，俄航天部門計(jì)劃2014年內(nèi)再發(fā)射3顆。（3）伽利略（GALILEO）由30顆衛(wèi)星組成，分布在3個(gè)軌道，軌道高度24126Km

與GPS相比：覆蓋面積將是GPS系統(tǒng)的兩倍地面定位誤差不超過(guò)1米，GPS只能找到街道，而伽利略系統(tǒng)則能找到車庫(kù)門伽利略系統(tǒng)使用多種頻段工作，在民用領(lǐng)域比GPS更經(jīng)濟(jì)、更透明、更開(kāi)放伽利略現(xiàn)狀于2016年12月15日投入使用2016年12月，已經(jīng)發(fā)射了18顆工作衛(wèi)星，具備了早期操作能力（EOC），并計(jì)劃在2019年具備完全操作能力（FOC）。全部30顆衛(wèi)星（調(diào)整為24顆工作衛(wèi)星，6顆備份衛(wèi)星）計(jì)劃于2020年發(fā)射完畢。（4）北斗（COMPASS）５顆靜止軌道衛(wèi)星+３０顆非靜止軌道衛(wèi)星采用中國(guó)2000大地坐標(biāo)系（CGS2000）開(kāi)放服務(wù)：定位精度:10m測(cè)速精度:0.2m/s授時(shí)精度:20ns北斗現(xiàn)狀2000年，首先建成北斗導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)。2012年12月27日，北斗導(dǎo)航業(yè)務(wù)正式對(duì)亞太地區(qū)提供服務(wù)。2014年11月23日，獲得國(guó)際海事組織的認(rèn)可。2016年，已經(jīng)發(fā)射23北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。2.GPS組成及其作用（1）GPS系統(tǒng)組成——空間部分24顆衛(wèi)星（21+3）6個(gè)軌道平面55o軌道傾角20200km軌道高度（地面高度）11小時(shí)58分軌道周期5個(gè)多小時(shí)出現(xiàn)在地平線以上每天提前4分鐘出現(xiàn)在地球上任何地方可以同時(shí)觀測(cè)到4-11顆高度角15

以上的衛(wèi)星。（2）GPS系統(tǒng)組成——地面控制部分55HawaiiAscencionDiegoGarciakwajalein1個(gè)主控站:Coloradosprings(科羅拉多.斯平士)。3個(gè)注入站:Ascencion(阿森松群島)、DiegoGarcia(迭哥伽西亞)、kwajalein(卡瓦加蘭)。5個(gè)監(jiān)控站：以上主控站、注入站及Hawaii(夏威夷)。ColoradospringsGPS系統(tǒng)組成——地面控制部分主控站:它的作用是根據(jù)各監(jiān)控站對(duì)GPS的觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算出衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)通過(guò)注入站注入到衛(wèi)星中去；同時(shí)，它還對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行控制，向衛(wèi)星發(fā)布指令，當(dāng)工作衛(wèi)星出現(xiàn)故障時(shí)，調(diào)度備用衛(wèi)星替代失效的工作衛(wèi)星工作。3個(gè)注入站:將主控站計(jì)算出的衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘的改正數(shù)等注入到衛(wèi)星中去。5個(gè)監(jiān)控站：接收衛(wèi)星信號(hào)，監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的接收衛(wèi)星信號(hào)，監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的工作狀態(tài)，傳送到主控站。（3）GPS系統(tǒng)組成——用戶設(shè)備部分按照原理、用途、功能來(lái)分類用途

載波頻率

工作原理導(dǎo)航型接收機(jī)測(cè)地型接收機(jī)平方型接收機(jī)混合型接收機(jī)干涉型接收機(jī)單頻接收機(jī)雙頻接收機(jī)通道種類

多通道接收機(jī)

序貫通道接收機(jī)（3）GPS系統(tǒng)組成——用戶設(shè)備部分手持導(dǎo)航型GPS機(jī)，精度5-15m（3）GPS系統(tǒng)組成——用戶設(shè)備部分測(cè)量型GPS接收機(jī)，最高精度1mm+1ppm天線天線主機(jī)箱記錄簿主機(jī)電源電臺(tái)2.組成及其作用3.GPS基本原理——測(cè)距XllVlXllllllllVVVllVlllXlXXllVlXllllllllVVVllVlllXlX距離=信號(hào)傳輸時(shí)間x光的速度3.GPS基本原理——二維三邊測(cè)量法北京西安廣州武漢3.GPS基本原理——三維三邊測(cè)量法我們處在以RI為半徑的一個(gè)球面上3個(gè)球面相交于一個(gè)點(diǎn)3個(gè)距離觀測(cè)值可以解算出一個(gè)點(diǎn)的緯度、經(jīng)度與高程R3R12個(gè)球面相交得出一條曲線R23.原理GPS基本原理——定位過(guò)程空間距離的量測(cè)為定位的基本1參數(shù)改正5觀測(cè)衛(wèi)星至地面點(diǎn)位的距離2利用接收衛(wèi)星星歷資料決定點(diǎn)位位置43觀測(cè)4顆以上衛(wèi)星才能解算點(diǎn)位的空間距離GPS基本原理——定位衛(wèi)星充當(dāng)“軌道控制站”測(cè)量與時(shí)間相關(guān)的每一顆衛(wèi)星的偽隨機(jī)碼通常情況下，GPS接收機(jī)采用廉價(jià)的時(shí)鐘。它們的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于衛(wèi)星的機(jī)載時(shí)鐘無(wú)線電波以光速傳播(距離=速度x時(shí)間)時(shí)鐘誤差與測(cè)距精度的關(guān)系：1/10秒時(shí)鐘誤差=30,000Km測(cè)距誤差1/1,000,000秒時(shí)鐘誤差=300m測(cè)距誤差4.分類單點(diǎn)定位相對(duì)定位VRS技術(shù)（1）GPS的測(cè)量應(yīng)用——單點(diǎn)定位單獨(dú)一個(gè)觀測(cè)站接受信號(hào)進(jìn)行定位。從原理上類似于后方交會(huì)進(jìn)行點(diǎn)的定位。采用虛擬距離觀測(cè)量精度較差，僅能消除接收機(jī)時(shí)鐘誤差①單點(diǎn)定位精度理論上說(shuō)，利用C/A碼進(jìn)行單點(diǎn)定位精度可以達(dá)到10-30m在SA條件下進(jìn)行單點(diǎn)定位：平面位置的精度為+/-100m高程的精度則為+/-160m②單點(diǎn)定位的應(yīng)用自然資源調(diào)查城市規(guī)劃環(huán)境調(diào)查（2）相對(duì)定位確定同步跟蹤相同的GPS衛(wèi)星信號(hào)的若干臺(tái)接收機(jī)之間的相對(duì)位置的定位方法。至少一臺(tái)接收機(jī)置于已知坐標(biāo)點(diǎn)上，稱為主站，置于未知點(diǎn)上的稱為待測(cè)站或移動(dòng)站。精度較高①相對(duì)定位的種類動(dòng)態(tài)（kinematic）DGPS-codeKGPS-phase靜態(tài)（static）靜態(tài)快速靜態(tài)SRDGPS單基站差分GPSLADGPS區(qū)域差分GPSWADGPS廣域差分GPSWAAS廣域增強(qiáng)系統(tǒng)LAAS區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)Pseudo-Kinematic虛擬動(dòng)態(tài)測(cè)量Semi-Kinematic半動(dòng)態(tài)測(cè)量RealTimeKinematic即時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量②靜態(tài)相對(duì)定位方法：利用兩套及以上的GPS接收機(jī)，分別安置在每條基線的端點(diǎn)上，同步觀測(cè)四顆以上的衛(wèi)星0.5～1小時(shí)，基線的長(zhǎng)度在20公里以內(nèi)。各基線構(gòu)成網(wǎng)狀的封閉圖形，事后經(jīng)過(guò)整體平差處理。用途：是精度最高的作業(yè)模式。主要用于大地測(cè)量、控制測(cè)量、變形測(cè)量、工程測(cè)量。精度：可達(dá)到5mm+1ppm靜態(tài)相對(duì)定位——基線測(cè)量基線向量BA（dx、dy、dz)基準(zhǔn)站移動(dòng)站③即時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量（RTK）

常規(guī)的GPS測(cè)量方法，如靜態(tài)、快速靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量都需要事后進(jìn)行解算才能獲得厘米級(jí)的精度，而RTK是能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級(jí)定位精度的測(cè)量方法，它采用了載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分方法，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。定位精度為厘米級(jí)RTK基準(zhǔn)站即時(shí)傳遞改正值移動(dòng)站③即時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量（RTK）

③即時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量（RTK）④GPS相對(duì)定位的后處理測(cè)量方法靜態(tài)相對(duì)定位模式流動(dòng)站動(dòng)態(tài)相對(duì)定位模式基準(zhǔn)站⑤S定位誤差分類與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差與傳播途徑有關(guān)的誤差與GPS接收機(jī)有關(guān)的誤差衛(wèi)星星歷誤差衛(wèi)星鐘差SA干擾誤差電離層折射對(duì)流層折射多路徑效應(yīng)接收機(jī)鐘差接收機(jī)的位置誤差接收機(jī)天線相位中心偏差VRS測(cè)量技術(shù)GPS實(shí)時(shí)差分定位RTK技術(shù)的缺點(diǎn)：用戶需要架設(shè)本地參考站誤差隨距離的增加而增長(zhǎng)誤差增長(zhǎng)使流動(dòng)站和參考站的距離受到限制，一般

小于15公里精度為10mm+1ppm，可靠性隨距離增大而降低

VRS測(cè)量技術(shù)虛擬參考站方案中VRS的特點(diǎn)與技術(shù)優(yōu)勢(shì)：虛擬參考站方案中，VRS的實(shí)施將使一個(gè)地區(qū)的測(cè)繪工作成為一個(gè)有機(jī)的整體，這改變了以往GPS作業(yè)“單打獨(dú)斗”的局面，同時(shí)它使GPS技術(shù)的應(yīng)用更為廣泛，使其精度和可靠性得到進(jìn)一步提高，最重要的是建立GPS網(wǎng)絡(luò)的成本降低了很多。我國(guó)深圳市第一個(gè)建成了VRS技術(shù)衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)（3）VRS技術(shù)①何謂VRS測(cè)量技術(shù)？移動(dòng)站并非接受某個(gè)實(shí)際基準(zhǔn)站的實(shí)際觀測(cè)資料，而是經(jīng)過(guò)定位誤差修正的虛擬觀測(cè)數(shù)據(jù)，也就是RTK主站，并不是實(shí)際存在的實(shí)體主站，而是在移動(dòng)站附近產(chǎn)生一個(gè)經(jīng)過(guò)人為加工的虛擬化主站，這種網(wǎng)絡(luò)化的定位技術(shù)稱為虛擬參考站動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，簡(jiǎn)稱VRS-RTK+GPS衛(wèi)星定位技術(shù)MobilePhone

行動(dòng)式數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)+寬頻網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊技術(shù)VRS測(cè)量技術(shù)控制中心固定站用戶部分整個(gè)系統(tǒng)的核心固定參考站是固定的GPS接收系統(tǒng)，分布在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)VRS網(wǎng)絡(luò)可包括無(wú)數(shù)個(gè)站用戶部分就是用戶的接收機(jī)，加上無(wú)線通訊的調(diào)制解調(diào)器。系統(tǒng)構(gòu)成GPS設(shè)備上網(wǎng)模塊無(wú)線上網(wǎng)設(shè)備及上網(wǎng)賬號(hào)VRS的接入賬號(hào)①系統(tǒng)結(jié)構(gòu)GPS基準(zhǔn)站GPS基準(zhǔn)站GPS基準(zhǔn)站BS1BS2BS4BS3超短基線

VRS-RTK解算RoverVRS虛擬基準(zhǔn)站GPS基準(zhǔn)站GPS基準(zhǔn)站BS5BS6基準(zhǔn)站間距約50公里基準(zhǔn)站間距約50公里控制及計(jì)算中心GSM/GPRS&NTRIP

通訊協(xié)定

ADSLADSL待測(cè)點(diǎn)位GPS單點(diǎn)定位坐標(biāo)(NMEA)